風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書-2012-05-23 - 副本

第11頁P(yáng)AGE成都世紀(jì)中科儀器有限公司地址：成都市人民南路四段9號中科院成都分院郵編：610041電話：（028）8524700685243932傳真：（028）85247006大型風(fēng)機(jī)的變槳距系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)或液壓驅(qū)動，自動控制。我們的裝置采用手動調(diào)節(jié)。扭曲型可變槳距3葉螺旋槳上有角度刻線，松開風(fēng)葉緊固螺釘，風(fēng)葉可以繞軸旋轉(zhuǎn)，從而改變槳距角。風(fēng)葉離指示圓點(diǎn)最近的刻度線對準(zhǔn)風(fēng)葉座上的刻度線時(shí)，風(fēng)葉位于最佳槳距角。以后每轉(zhuǎn)動1個(gè)刻度線，槳距角改變3度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟風(fēng)扇連接到調(diào)壓器輸出端。連接調(diào)壓器，電子負(fù)載及測量表的電源。轉(zhuǎn)速，風(fēng)速輸出連接到轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表。負(fù)載及電壓電流表按圖7連接。電壓、電流表，轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表的同步信號端口不連接，以后功能擴(kuò)展用。實(shí)驗(yàn)1風(fēng)速，螺旋槳轉(zhuǎn)速（也是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速），發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動勢之間關(guān)系的測量使扭曲型可變槳距3葉螺旋槳處于最佳槳距角（風(fēng)葉離指示圓點(diǎn)最近的刻度線對準(zhǔn)風(fēng)葉座上的刻度線），風(fēng)葉凹面朝向風(fēng)扇，將螺旋槳安裝在發(fā)電機(jī)軸上（緊固螺帽是反螺紋，緊固與松開的旋轉(zhuǎn)方向與普通螺紋相反）。斷開負(fù)載，此時(shí)電壓表測量的是開路電壓，即發(fā)電機(jī)輸出的電動勢。調(diào)節(jié)調(diào)壓器使得風(fēng)速從4.5m/s開始以0.5m/s的間隔來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)速穩(wěn)定后記錄在不同風(fēng)速下的螺旋槳轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動勢，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1。表1風(fēng)速，螺旋槳轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系風(fēng)速(m/s)4.55.05.56.06.57.07.58.08.5轉(zhuǎn)速(r/s)384450565964717580電動勢(V)20.023.026.329.231.633.637.439.642.3以風(fēng)速做橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)速做縱坐標(biāo)作圖，分析兩者之間的關(guān)系。以轉(zhuǎn)速做橫坐標(biāo)，感應(yīng)電動勢做縱坐標(biāo)作圖，分析兩者之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)2扭曲型可變槳距3葉螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比關(guān)系的測量調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使風(fēng)速約為6.0m/s。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電子負(fù)載旋鈕，直到電流顯示不為零，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電子負(fù)載旋鈕使電流顯示剛好為零，各表顯示穩(wěn)定后記錄輸出電壓、輸出電流、轉(zhuǎn)速。逆時(shí)針調(diào)節(jié)電子負(fù)載調(diào)節(jié)旋紐，使輸出電壓以每隔1.0V調(diào)節(jié)，將每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表2。表2中的空氣密度參考網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。表2扭曲型可變槳距3葉螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比的關(guān)系（額定風(fēng)速：V1=6.0m/s）環(huán)境溫度：17.6℃葉片半徑R＝0.134m 空氣密度：1.215kg/m3 轉(zhuǎn)速f(r/s)輸出電壓U(V)輸出電流I(mA)輸出功率P=U×I(W)葉尖速比=2πfR/V1功率系數(shù)CP=2P/R2V135327.0007.8295126.020.0527.5335225.060.1507.6815224.0170.4087.6815123.0310.7137.5335022.0330.7267.3844821.0460.9667.0904720.0601.2006.9424619.0641.2166.7954518.0801.4406.6474317.0971.6496.3514216.01081.7286.2044015.01201.8005.9083914.01301.8205.7613813.01602.0805.6133612.01672.0045.3183511.01731.9035.1703310.01821.8204.874以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比的關(guān)系曲線，并比較功率系數(shù)CP與葉尖速比的關(guān)系與圖2是否相似？實(shí)驗(yàn)3切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間的功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行受兩方面的限制，一是由機(jī)械強(qiáng)度決定的轉(zhuǎn)速限制，二是由發(fā)電機(jī)、變流器容量決定的功率限制。若整機(jī)設(shè)計(jì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)先達(dá)到功率限制，則切入風(fēng)速到額定風(fēng)速之間采用統(tǒng)一的調(diào)節(jié)方案，本實(shí)驗(yàn)只考慮這種情況。若整機(jī)設(shè)計(jì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)先達(dá)到轉(zhuǎn)速限制，則要采用兩段控制方案，達(dá)到轉(zhuǎn)速限制后需調(diào)節(jié)負(fù)載保持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力增大時(shí)轉(zhuǎn)速不變而轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率增加，直至達(dá)到功率限制。 采用何種功率調(diào)節(jié)方式可以使風(fēng)機(jī)從風(fēng)力中獲取最大風(fēng)能？本實(shí)驗(yàn)比較固定葉尖速比，固定轉(zhuǎn)速2種方式下，風(fēng)機(jī)輸出功率的情況。如實(shí)驗(yàn)原理部分所述，永磁發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)采用固定葉尖速比的調(diào)節(jié)方式，感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定。 固定葉尖速比調(diào)節(jié)方式時(shí)，由實(shí)驗(yàn)2確定最佳葉尖速比m，由f=mV1/2R計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速，在各種風(fēng)速下通過調(diào)節(jié)負(fù)載使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速，記錄輸出電壓，電流于表3固定葉尖速比列下。 固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，一般使轉(zhuǎn)速在額定風(fēng)速時(shí)CP達(dá)到最大。若隨意選擇轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用效率會更低。 固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，不同風(fēng)速下調(diào)節(jié)負(fù)載大小，保持轉(zhuǎn)速不變，記錄風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)輸出電壓，電流于表3固定轉(zhuǎn)速列下。表3切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間的功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)R=0.134m額定風(fēng)速5.7m/s調(diào)節(jié)方式風(fēng)速m/s固定葉尖速比(m＝5.613)固定轉(zhuǎn)速(f＝6m/2R)轉(zhuǎn)速(r/s)f=mV1/2R電壓(V)電流(mA)功率(W)轉(zhuǎn)速(r/s)電壓(V)電流(mA)功率(W)4.53011.5650.7484020.2005.033.3312.0971.1644017.8300.5345.536.6713.31271.6894015.4941.4475.74013.31732.3004013.31732.300畫出以上2種調(diào)節(jié)方式下輸出功率隨風(fēng)速的變化曲線。比較上述2條曲線，能得出什么結(jié)論？ 實(shí)驗(yàn)4額定風(fēng)速到切出風(fēng)速區(qū)間的功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)——變槳距調(diào)節(jié) 風(fēng)速在額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率達(dá)到額定功率。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，若負(fù)載維持不變，采用變槳距調(diào)節(jié)使風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速不變，就可使輸出功率維持在額定功率。 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，檢測輸出功率和轉(zhuǎn)速，連續(xù)調(diào)節(jié)槳距角就可以使風(fēng)力變化時(shí)輸出功率維持不變。在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為增加感性認(rèn)識，采用手動調(diào)節(jié)，從原理上驗(yàn)證以上過程。調(diào)節(jié)負(fù)載大小，使在6.0m/s的風(fēng)速下達(dá)到最佳葉尖速比，記錄此時(shí)的轉(zhuǎn)速及輸出電壓、電流。停機(jī)后取下螺旋槳，將3個(gè)風(fēng)葉的槳距角調(diào)大3度（逆時(shí)針轉(zhuǎn)動1格）。開機(jī)并調(diào)節(jié)風(fēng)速，風(fēng)速變化時(shí)保持負(fù)載不變，可以觀測到槳距角改變后，在更大的風(fēng)速下轉(zhuǎn)速才能達(dá)到額定風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速，記錄此時(shí)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速及輸出電壓、電流、功率于表4中。逐次調(diào)節(jié)槳距角，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。表4變槳距調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)f＝6m/2R=r/s額定風(fēng)速6.0m/s槳距角變化量(°)風(fēng)速(m/s)轉(zhuǎn)速(r/s)電壓(V)電流(mA)功率(W)06.036912 將表3控制葉尖速比數(shù)據(jù)和表4數(shù)據(jù)結(jié)合，畫出變槳距調(diào)節(jié)下輸出功率隨風(fēng)速的變化，與圖4比較。實(shí)驗(yàn)5風(fēng)帆型3葉螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比關(guān)系的測量將風(fēng)帆型3葉螺旋槳裝在發(fā)電機(jī)上，按實(shí)驗(yàn)2的方法進(jìn)行測量。表5風(fēng)帆型3葉螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比的關(guān)系（額定風(fēng)速：V1=6.0m/s）當(dāng)?shù)睾０危簃環(huán)境溫度：℃葉片半徑R＝0.127m 空氣密度：kg/m3 轉(zhuǎn)速f(r/s)輸出電壓U(V)輸出電流I(mA)輸出功率P=U×I(W)葉尖速比=2πfR/V1功率系數(shù)CP=2P/R2V13以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作螺旋槳功率系數(shù)CP與葉尖速比的關(guān)系曲線，與實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果比較并討論。實(shí)驗(yàn)6平板型4葉螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比關(guān)系的測量將平板型4葉螺旋槳裝在發(fā)電機(jī)上，按實(shí)驗(yàn)2的方法進(jìn)行測量。表6平板型4葉螺旋槳的功率系數(shù)CP與葉尖速比的關(guān)系（額定風(fēng)速：V1=6.0m/s）